KR20140087769A - Negative electrode for secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로 충,방전시 부피 변화가 큰 실리콘계 음극의 퇴화를 효과적으로 개선할 수 있는 이차전지용 음극과, 이를 포함함으로써 사이클 특성이 개선된 리튬 이차전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a negative electrode for a secondary battery and a lithium secondary battery comprising the negative electrode. More particularly, the present invention relates to a negative electrode for a secondary battery capable of effectively improving degradation of a silicon-based negative electrode having a large volume change during charging and discharging, To a lithium secondary battery.
최근 휴대폰, 캠코더, 노트북 PC 및 전기 자동차 등의 발달로 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 그 중에서 가장 주목을 끄는 분야가 전기화학 소자이며, 특히 충·방전이 가능한 이차전지가 관심의 대상이 되고 있다.Recent developments in cell phones, camcorders, notebook PCs, and electric vehicles are increasing interest in energy storage technology. Among them, electrochemical devices have attracted the most attention, and rechargeable batteries that can be charged and discharged are of particular interest.
특히, 리튬과 전해액을 사용하는 리튬 이차전지는 소형, 경량 및 고에너지 밀도를 실현할 수 있는 가능성이 높아 활발하게 개발되고 있다. In particular, a lithium secondary battery using lithium and an electrolyte has been actively developed because of its high possibility of realizing a compact, lightweight, and high energy density.
종래의 리튬 이차전지는 음극활물질로서 구조적, 전기적 성질을 유지하면서 가역적인 리튬이온의 삽입(intercalation) 및 탈리가 가능한 탄소계 화합물을 주로 사용하였다. 최근에는 리튬과 화학적 반응을 일으키는 실리콘, 주석 또는 이들의 합금이 다량의 리튬을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있음이 알려지면서, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. Conventional lithium secondary batteries mainly use carbon-based compounds capable of reversible intercalation and elimination of lithium ions while maintaining structural and electrical properties as negative electrode active materials. Recently, it has been known that silicon, tin or an alloy thereof that causes a chemical reaction with lithium can reversibly store and release a large amount of lithium, and so much research is underway.
상기 실리콘은 이론적 최대 용량이 약 4020 mAh/g (9800 mAh/cc, 비중 2.23)으로 흑연계 물질에 비해서 매우 크기 때문에 고용량 음극재료로서 유망하다. 하지만, 상기 실리콘 또는 이의 합금 등은 충·방전시 팽창과 수축을 반복하면서 음극이 퇴화되어 전지의 사이클 수명이 저하된다는 단점이 있다. 즉, 충전시에 리튬 이온이 음극활물질 (실리콘) 속으로 들어오면, 음극활물질 전체의 부피가 팽창하여 더욱 조밀한 구조를 가지게 된다. 이 후, 방전시에 리튬은 이온 상태로 다시 빠져나가면서 음극활물질의 부피가 감소하게 된다. 이때 상기 음극활물질과 함께 혼합된 성분들의 팽창률이 다르기 때문에, 빈 공간이 생성되고, 심지어 공간적으로 틈이 생긴 부분은 전기적으로 단절되어 전자의 이동이 원활하지 못하기 때문에 전지의 효율이 떨어지게 된다. 또한, 음극활물질과 함께 혼합된 바인더의 탄성이 저하되어 균열이 발생하면, 전기적 접촉이 차단되어 저항이 증가하는 결과가 나타난다. 이는 결국 음극의 퇴화를 가져와, 이차전지의 사이클 특성을 저하시킨다. 이러한 현상은 고에너지 밀도의 셀을 제조하기 위하여, 고용량의 음극활물질인 실리콘의 함량이 증가할수록 더욱 심화된다.The silicon is promising as a high capacity anode material because its theoretical maximum capacity is about 4020 mAh / g (9800 mAh / cc, specific gravity 2.23) which is very large compared to graphite materials. However, the above-mentioned silicon or its alloys are disadvantageous in that the negative electrode is degraded by repeated expansion and contraction during charging and discharging, and the cycle life of the battery is lowered. That is, when lithium ions enter the anode active material (silicon) at the time of charging, the volume of the entire anode active material expands, resulting in a denser structure. Thereafter, at the time of discharging, the lithium ions are again discharged into the ionic state, and the volume of the negative electrode active material is reduced. At this time, since the components mixed together with the negative electrode active material have different expansions, voids are generated, and even the space-gaped portions are electrically disconnected and electrons are not smoothly moved. Further, when the elasticity of the binder mixed together with the negative electrode active material is lowered and cracks are generated, the electrical contact is blocked and the resistance is increased. This results in deterioration of the cathode and deteriorates the cycle characteristics of the secondary battery. This phenomenon is further exacerbated as the content of silicon, which is a high-capacity negative electrode active material, is increased in order to manufacture a cell having a high energy density.
이러한 단점을 개선하기 위하여, 음극 제조 시에 음극활물질간 접착력을 높이기 위해 바인더 함량을 증가시키는 방법이 시도되었다. 하지만, 이 방법은 상대적으로 도전재 또는 음극활물질의 함량이 낮아져, 전지의 저항 특성이 저하되거나, 전도도가 떨어지거나, 전지 용량 및 출력이 저하되는 단점을 가져온다. In order to improve the above disadvantages, a method of increasing the binder content in order to increase the adhesion between the negative electrode active materials at the time of manufacturing the negative electrode has been attempted. However, this method has a disadvantage in that the content of the conductive material or the negative electrode active material is relatively lowered, the resistance characteristic of the battery is lowered, the conductivity is lowered, and the battery capacity and output are lowered.
한편, 종래 카본계 음극의 경우, 음극활물질 슬러리 제조 시에 수계 바인더인 SBR (스티렌 부타디엔 고무)/CMC(카르복시 메틸 셀룰로오스)의 함량을 증가시켜 적용한 예가 있다. 하지만, 이러한 수계 바인더는 인접한 음극활물질 사이에서 점 접촉 결합을 형성하고 있기 때문에, 팽창, 수축을 반복하는 실리콘계 음극활물질 사이에서 충분한 결합력 (binding force)을 얻을 수 없다는 단점이 있다.On the other hand, in the case of the conventional carbon-based negative electrode, there is an example in which the content of SBR (styrene butadiene rubber) / CMC (carboxymethyl cellulose), which is an aqueous binder, is applied during the production of the negative electrode active material slurry. However, since such an aqueous binder forms a point-contact bond between adjacent anode active materials, there is a disadvantage that sufficient binding force can not be obtained between the silicone-based anode active materials repeatedly expanding and contracting.
이에, 적정량의 바인더를 사용하면서 리튬 금속 산화물과 집전체 사이의 접착력은 개선함과 동시에, 전기 전도성을 높여 이차전지의 용량 및 출력 특성 등의 성능을 개선할 수 있는 기술 기발이 매우 필요한 실정이다.
Thus, there is a great need for a technology that improves the adhesion between the lithium metal oxide and the current collector while improving the electrical conductivity and performance of the secondary battery, such as capacity and output characteristics, while using an appropriate amount of binder.
본 발명은 충,방전시 부피 변화가 큰 실리콘계 음극의 퇴화를 효과적으로 개선하기 위하여, 비수계 바인더로 이루어진 코팅층을 포함하는 이차전지용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a negative electrode for a secondary battery comprising a coating layer made of a non-aqueous binder in order to effectively improve degradation of a silicon-based negative electrode having a large volume change during charging and discharging.
또한, 본 발명은 상기 이차전지용 음극을 포함함으로써 사이클 특성이 향상된 리튬 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a lithium battery having improved cycle characteristics by including the negative electrode for a secondary battery.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명에서는 충,방전시 부피 변화가 큰 실리콘계 음극의 퇴화를 효과적으로 개선하기 위해, 음극활물질층인 제1 코팅층 일부 표면 또는 전면에 형성된 비수계 바인더로 이루어진 제2 코팅층을 추가로 포함하는 이차전지용 음극을 제공한다.In the present invention, in order to effectively improve degradation of a silicon-based negative electrode having a large volume change during charging and discharging, a negative electrode for a secondary battery, further comprising a second coating layer made of a non-aqueous binder formed on a surface or a whole surface of the first coating layer, .
구체적으로, 본 발명에서는 Specifically, in the present invention,
전극 집전체;Electrode collector;
상기 전극 집전체 상에 도포되며, 음극활물질, 제1 수계 바인더 및 도전재를 포함하는 제1 코팅층; 및 A first coating layer coated on the electrode current collector, the first coating layer including a negative electrode active material, a first water-based binder, and a conductive material; And
상기 제1 코팅층 상에 도포되며, 제2 비수계 바인더를 포함하는 제2 코팅층을 포함하는 이차전지용 음극을 제공한다.
And a second coating layer coated on the first coating layer, the second coating layer including a second non-aqueous binder.
본 발명의 음극에 있어서, 상기 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면을 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있으며, 이들 중에서 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.In the negative electrode of the present invention, the electrode collector may be a surface treated with stainless steel, nickel, copper, titanium or an alloy thereof, copper or stainless steel with carbon, nickel, titanium or silver, Of these, copper or a copper alloy is preferable.
또한, 본 발명의 음극에 있어서, 상기 제1 코팅층의 주성분인 음극활물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속 산화물, 예컨대 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 보다 구체적으로 음극활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 실리콘계 활물질, 주석계 활물질, 및 실리콘-탄소계 활물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질의 조합을 들 수 있다.In the negative electrode of the present invention, the negative electrode active material which is a main component of the first coating layer may be carbon and / or carbon such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, hard graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, Graphite material; A metal such as Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt or Ti capable of forming an alloy with lithium and a compound including these elements; Complexes of metals and their compounds and carbon and graphite materials; Lithium-containing nitride, and the like. However, the present invention is not limited to these. More specifically, examples of the negative electrode active material include a combination of one or more materials selected from the group consisting of crystalline carbon, amorphous carbon, a silicon-based active material, a tin-based active material, and a silicon-carbon based active material.
또한, 본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 제1 코팅층에 포함되는 제1 수계 바인더는 음극활물질과 도전재 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 제1 코팅층 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 포함될 수 있다. 만약, 상기 제1 수계 바인더의 함량이 20 중량%를 초과하는 경우, 음극활물질을 결합하는 바인더의 면적이 증가하기 때문에, 저항이 증가한다. According to an embodiment of the present invention, the first aqueous binder included in the first coating layer is a component that assists in bonding to the negative electrode active material, the conductive material, and the current collector, 20% by weight. If the content of the first aqueous binder is more than 20% by weight, the area of the binder for bonding the negative electrode active material increases, thereby increasing the resistance.
이러한 제1 수계 바인더의 예로는, 스티렌-부틸아크릴레이트 고무 (SBR), 카르복시메틸셀룰로우즈 (CMC) 및 히드록시프로필셀룰로우즈로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 수계 바인더를 들 수 있다.Examples of such first water-based binders include one or more aqueous binders selected from the group consisting of styrene-butyl acrylate rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC), and hydroxypropylcellulose have.
또한, 상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 제1 코팅층 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 포함할 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 부여할 수 있는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등을 들 수 있다.The conductive material may further comprise 1 to 20% by weight, based on the total weight of the first coating layer, as a component for further improving the conductivity of the electrode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it can impart conductivity without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; And conductive materials such as polyphenylene derivatives.
상기 제1 코팅층은 상기 성분 외에 필요에 따라 기타 첨가제 등을 더 포함할 수도 있으며, 구체예나 함량 등은 통상 첨가되는 수준이면 충분하다.The first coating layer may further contain other additives in addition to the above-mentioned components, if necessary, and the specific content and amount of the first coating layer may be generally sufficient.
상기 제1 코팅층은 음극활물질층으로서, 음극활물질과 제1 수계 바인더, 도전재 및 용매를 혼합하여 제1 슬러리를 제조한 다음, 이를 집전체 상에 코팅하고, 건조하는 단계에 의해 형성된다. The first coating layer is a negative electrode active material layer formed by mixing a negative electrode active material, a first aqueous binder, a conductive material, and a solvent to prepare a first slurry, coating the current collector on the current collector, and drying the first slurry.
상기 용매는 물을 사용할 수 있다.The solvent may be water.
상기 제1 코팅층의 두께는 원하는 배터리 셀의 용량 설계에 따라 적절히 변경 가능하며, 구체적으로 수십 내지 수백 마이크론 미터의 두께를 가질 수 있다. The thickness of the first coating layer may be suitably changed according to the capacity design of the desired battery cell, and may have a thickness of several tens to several hundreds of microns.
상기 제1 바인더는 음극활물질 입자의 전체 표면에 코팅될 수도 있고, 음극활물질 입자간 접촉 부위에만 코팅될 수도 있는데, 구체적으로는 저항은 최소화하면서, 적절한 결합력을 유지할 수 있는 범위의 면적으로 코팅되는 것이 바람직하다.The first binder may be coated on the entire surface of the negative electrode active material particles or may be coated only on the contact area between the negative electrode active material particles. Specifically, the first binder may be coated with an area that can maintain a proper bonding force while minimizing the resistance desirable.
또한, 본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 제2 코팅층에 포함되는 제2 비수계 바인더는 젖음성 (wetting)이 우수하고, 전극 깊이 방향으로 침투성이 우수하여, 음극활물질과 집전체 전체의 결합력을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 제2 비수계 바인더는 사슬형 고분자로서, 예를 들면 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 아크릴로니트릴로 함유 결합제 (X-linking agent), 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합된 비수계 바인더를 들 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the second non-aqueous binder included in the second coating layer is excellent in wetting and permeability in the depth direction of the electrode, so that the bonding force between the negative electrode active material and the whole current collector Can be improved. The second non-aqueous binder is a chain polymer, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), acrylonitrile-containing binder, polyvinyl alcohol, poly There may be mentioned a non-aqueous binder mixed with one or more selected from the group consisting of vinyl chloride, polyvinyl pyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene and polypropylene.
상기 제2 코팅층은 바인더 코팅층으로서, 제2 바인더 및 용매를 혼합하여 제2 슬러리를 제조한 다음, 이를 건조된 제1 코팅층이 도포된 전극 일부 또는 전체 표면에 도포하고, 건조하는 단계에 의해 형성된다. The second coating layer is formed as a binder coating layer by mixing a second binder and a solvent to prepare a second slurry, applying the dried second coating layer to a part or whole surface of the electrode coated with the dried first coating layer, and drying .
상기 용매는 N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 비수계 바인더를 용해할 수 있는 알코올류, 케톤류 등의 다양한 용매를 사용할 수 있다.As the solvent, various solvents such as alcohols and ketones capable of dissolving N-methylpyrrolidone (NMP) or non-aqueous binder may be used.
상기 제2 코팅층은 일반적인 코팅 방법을 이용하여 형성하는 것으로, 그 형성 방법을 특별히 제한하지 않으며, 통상적인 딥 코팅 방법 또는 스프레이 코팅 방법 등을 이용하여 도포할 수 있다. The second coating layer is formed using a general coating method, and the forming method thereof is not particularly limited, and can be applied using a conventional dip coating method, spray coating method or the like.
상기 제2 바인더(15)를 포함하는 제2 코팅층은 제1 코팅층이 형성된 전극 전면에 도포될 수도 있고, 또는 인접한 음극활물질(11)의 점 접촉 부위에 결합되어 있는 제1 바인더(13) 상에 선택적으로 코팅될 수도 있다 (도 1 참조). 구체적으로는 적절한 결합력을 유지할 수 있는 범위의 면적으로 코팅되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제2 코팅층은 상기 제1 코팅층이 형성된 전극의 전체 중량을 기준으로 약 100 중량% 이하의 양, 구체적으로 약 1 내지 50중량%의 양, 보다 구체적으로 약 1 내지 10중량%의 양, 더욱 구체적으로 약 1 내지 5중량%의 양을 이용해 코팅될 수 있다.The second coating layer including the
상기 제 2 코팅층은 전도성을 향상시키기 위해 도전재 및 기타 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
The second coating layer may further include a conductive material and other additives to improve conductivity.
또한, 본 발명에서는 본 발명의 음극, 양극, 전해액 및 세퍼레이터를 포함함으로서, 충방전 특성 및 사이클 특성이 향상된 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including the negative electrode, the positive electrode, the electrolyte, and the separator of the present invention and having improved charge / discharge characteristics and cycle characteristics.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 슬러리를 상기 음극의 제조방법과 동일한 방법으로 도포하고, 건조하여 제조될 수 있다. 필요에 따라서는 상기 양극용 슬러리에 충진제를 더 포함할 수 있다.The positive electrode may be prepared by applying a slurry containing a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector by the same method as the negative electrode and drying the slurry. If necessary, the positive electrode slurry may further contain a filler.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 접착력을 높일 수도 있다. 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 가능하다. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. Examples of the positive electrode current collector include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon or aluminum or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used. The positive electrode current collector may form fine irregularities on the surface to increase the adhesive force with the positive electrode active material. The positive electrode current collector can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
또한, 상기 양극 활물질은 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiNi1 - x-yCox(Al)yO2 (여기서, x=0.15, Y=0.05) 산화물, 또는 Li1 + xMn2 - xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 -xMxO2 (여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x=0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x=0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M=Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 사용할 수 있으나 바람직하게는 LiNixMn2 - xO4(x=0.01 내지 0.6임)을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 LiNi0 .5Mn1 .5O4 또는 LiNi0 .4Mn1 .6O4을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에서, 음극활물질의 높은 전위로 인하여 상대적으로 고전위를 가지는 LiNixMn2 - xO4(x=0.01 내지 0.6임)의 스피넬 리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로 사용하는 것이 바람직하다.The cathode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; LiNi 1 - xy Co x (Al) y O 2 wherein x = 0.15, Y = 0.05 oxide or Li 1 + x Mn 2 - x O 4 where x is 0 to 0.33, LiMnO 3 , Lithium manganese oxides such as LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; A Ni-site type lithium nickel oxide expressed by the formula LiNi 1 -x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga and x = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2 - x M x O 2 ( where, M = Co, Ni, Fe , Cr, and Zn, or Ta, x = 0.01 to 0.1 Im) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where, M = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like can be used, but it is preferable to use LiNi x Mn 2 - x O 4 (x = 0.01 to 0.6), more preferably LiNi 0 .5 Mn 1 .5 O 4 or LiNi 0 .4 may be a Mn 1 O 4 .6. That is, in the present invention, it is preferable to use a spinel lithium manganese composite oxide of LiNi x Mn 2 - x O 4 (x = 0.01 to 0.6) having a relatively high potential due to a high potential of the negative electrode active material as a cathode active material .
상기 도전재는 양극용 슬러리 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 첨가될 수 있으며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material may be added in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the slurry for the positive electrode, and is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, Graphite and other graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
또한, 상기 바인더는 활물질과 도전재 및 집전체에 대한 결합에 개선하기 위한 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 비수계 바인더인 PVDF 등을 들 수 있다. Further, the binder is added as an ingredient for improving the bonding to the active material, the conductive material and the current collector, and usually 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture containing the cathode active material. Examples of such binders include PVDF, which is a non-aqueous binder.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for suppressing expansion of the anode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin-based polymerizers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.
또한, 상기 전해액은 리튬염 함유 전해액으로서, 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.As the electrolyte solution, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like is used as the electrolyte solution containing a lithium salt, but the present invention is not limited thereto.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4,
또한, 상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate , Gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, But are not limited to, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxy methane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, Derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like can be used.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group and the like may be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.
또한, 상기 세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 이러한 분리막으로는 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.Further, the separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. Examples of such a separation membrane include an olefin-based polymer such as polypropylene, which is resistant to chemicals and hydrophobicity; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.
또한, 본 발명은 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다. Also, the present invention provides a battery module including the secondary battery as a unit battery, a battery pack including the battery module, and a device including the battery pack.
전술한 바와 같이, 종래 음극은 충방전시에 음극활물질과 함께 혼합된 바인더의 탄성이 저하되어 음극활물질의 부피 변화를 완충시키는 능력이 부족하였으나, 본 발명의 음극은 기존 수계 바인더를 함유하는 활물질층이 형성된 전극 표면에 상기 제2 비수계 바인더를 포함하는 코팅층을 추가로 도포함으로써, 제1 코팅층과 집전체 간의 적절한 결합력을 유지할 뿐만 아니라, 전극 충방전시에 음극활물질의 부피 변화를 완충시켜, 음극의 퇴화를 효과적으로 방지할 수 있으므로, 전극의 저항 증가 없이 사이클 수명 및 충방전 특성이 개선된 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.
As described above, in the conventional negative electrode, the elasticity of the binder mixed together with the negative active material at the time of charging and discharging is lowered and the ability to buffer the change of the volume of the negative active material is insufficient. However, the negative electrode of the present invention, The binder coating layer including the second non-aqueous binder is further coated on the surface of the formed electrode to maintain a proper bonding force between the first coating layer and the collector and to buffer the volume change of the negative electrode active material during charging and discharging of the electrode, It is possible to manufacture a lithium secondary battery with improved cycle life and charge / discharge characteristics without increasing the resistance of the electrode.
본 발명에서는 음극활물질층 상에 비수계 바인더를 함유하는 바인더 코팅층을 추가로 형성함으로써, 충,방전시의 부피 변화가 큰 실리콘계 음극의 퇴화를 효과적으로 방지할 수 있어, 리튬 이차전지의 충방전 특성 및 사이클 특성을 개선할 수 있다.
In the present invention, by further forming a binder coating layer containing a non-aqueous binder on the negative electrode active material layer, it is possible to effectively prevent degradation of the silicon-based negative electrode having a large volume change during charging and discharging, Cycle characteristics can be improved.
도 1은 본 발명의 음극활물질 구조의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클 보유도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 실험예 4로부터 얻어진 본 발명의 리튬 이차전지의 용량 유지율 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 실험예 4로부터 얻어진 본 발명의 리튬 이차전지의 저항 특성 실험 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view of a negative electrode active material structure of the present invention.
2 is a graph showing the results of cycle retention measurement according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are graphs showing the capacity retention rate of the lithium secondary battery of the present invention obtained from Experimental Example 4. FIG.
4A and 4B are graphs showing the results of resistance characteristics tests of the lithium secondary battery of the present invention obtained from Experimental Example 4. FIG.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
실시예Example
I. 본 발명의 I. The present invention 코팅층용For coating layer 슬러리Slurry 제조 Produce
(제조예 1)(Production Example 1)
폴리아크릴로니트릴(PAN)(2g)을 100mL의 N-메틸피롤리돈(NMP)에 용해한 후, 1시간 교반하여 제2 코팅층용 슬러리를 제조하였다.
Polyacrylonitrile (PAN) (2 g) was dissolved in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and stirred for 1 hour to prepare a second coating layer slurry.
(제조예 2)(Production Example 2)
상기 폴리아크릴로니트릴(PAN) 대신 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제2 코팅층용 슬러리를 제조하였다.
A slurry for a second coating layer was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that polyvinylidene fluoride (PVDF) was used in place of the polyacrylonitrile (PAN).
(제조예 3)(Production Example 3)
상기 폴리아크릴로니트릴(PAN) 대신 아크릴로니트릴로 함유 결합제 (X-linking agent)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제2 코팅층용 슬러리를 제조하였다.
A slurry for the second coating layer was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that an acrylonitrile-containing binder (X-linking agent) was used in place of the polyacrylonitrile (PAN).
IIII . 음극 제조. Cathode manufacture
(실시예 1)(Example 1)
1.2중량%의 카르복시 메틸셀룰로스 용액 35g을 교반하면서 도전재인 5중량%의 카본나노튜브(CNT) 용액 12g(을 분산시켰다. 이어서, 상기 혼합 용액에 고용량 음극 활물질인 SiOx와 안정적인 충방전 거동을 보이는 흑연을 약 1:2의 비율로 첨가하고, 기계식 교반기를 사용하여 활물질을 분산시켰다. 다음으로, 40중량%의 스티렌 부틸아크릴레이트 고무(SBR) 용액 2g을 혼합하고, 최종 교반하여 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 제1 코팅층용 슬러리를 제조하였다. (이때, 제1 코팅층 내에 바인더 함량은 7% 이내이다.) 12 g of a 5 wt% carbon nanotube (CNT) solution was dispersed while 35 g of a 1.2 wt% carboxymethylcellulose solution was stirred. Subsequently, SiO x , a high-capacity negative electrode active material, and a stable charge- Graphite was added in a ratio of about 1: 2, and the active material was dispersed using a mechanical stirrer. Next, 2 g of a 40 wt% styrene butyl acrylate rubber (SBR) solution was mixed and finally stirred to prepare an active material, And a binder were mixed. (Here, the content of the binder in the first coating layer is within 7%.)
이어서, 상기 슬러리를 콤마 코터 (comma coater)를 사용하여 구리(Cu) 집전체 위에 약 100㎛의 두께로 도포하고 건조한 후 진공, 섭씨 110℃의 조건에서 다시 한번 건조하여 제1 코팅층이 형성된 음극판을 제조하였다.Subsequently, the slurry was coated on a copper (Cu) current collector using a comma coater to a thickness of about 100 탆, dried, and dried again under vacuum and at a temperature of 110 캜 to form a negative electrode plate .
그 다음으로, 상기 음극판 (제1 코팅층) 표면에 상기 제조예 1에서 제조한 제2 코팅층용 슬러리를 딥 코팅 (dip coating) 방법을 이용하여 상기 음극판에 도포한 다음, 건조하여, 제2 코팅층을 포함하는 음극판을 제조하였다.Next, the slurry for the second coating layer prepared in Production Example 1 was applied to the surface of the negative electrode plate (first coating layer) on the negative electrode plate by a dip coating method and then dried to form a second coating layer Was prepared.
이어서, LiNi1 - x-yCox(Al)yO2 (여기서, x=0.15, y=0.05) (NCA, 토다사) 45중량%, 카본블랙(Super-P, Timcal) 2.5중량%, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머(Solef6020, Solvey) 2.5중량% 및 N-메틸피롤리돈 50중량%를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조하고, 이를 알루미늄 집전체 상에 200㎛ 두께로 코팅한 다음 건조시켜 양극판을 제조하였다. Subsequently, 45 wt% of LiNi 1 - xy Co x (Al) y O 2 (where x = 0.15, y = 0.05) (NCA, Toda), 2.5 wt% of carbon black (Super- 2.5% by weight of fluoride / hexafluoropropylene copolymer (Solef 6020, Solvey) and 50% by weight of N-methylpyrrolidone were mixed to prepare a cathode active material composition, which was coated on the aluminum current collector to a thickness of 200 탆 And dried to prepare a positive electrode plate.
다음으로, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트와 에틸메틸 카보네이트가 3:4:3의 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6를 첨가하여 리튬염의 농도가 1.2M인 유기 전해액 용액을 제조하였다.Next, LiPF 6 was added to a solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed in a volume ratio of 3: 4: 3 to prepare an organic electrolyte solution having a lithium salt concentration of 1.2M.
이후, 상기 음극판 및 양극판 사이에 세퍼레이터인 폴리에틸렌을 배치하여 전극조립체를 형성한 다음, 이를 전지 케이스에 넣고, 상기 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
Thereafter, polyethylene as a separator was disposed between the negative electrode plate and the positive electrode plate to form an electrode assembly, which was then placed in a battery case, and the electrolyte solution was injected to prepare a lithium secondary battery.
(실시예 2)(Example 2)
상기 제조예 1의 제2 코팅층용 슬러리 대신 제조예 2의 제2 코팅층용 슬러리를 도포하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극판 및 이를 포함하는 이차전지를 제조하였다.
A negative electrode plate and a secondary battery including the negative electrode plate were prepared in the same manner as in Example 1, except that the slurry for the second coating layer of Production Example 2 was applied instead of the slurry for the second coating layer of Production Example 1.
(실시예 3)(Example 3)
상기 제조예 1의 제2 코팅층용 슬러리 대신 제조예 3의 제2 코팅층용 슬러리를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극판 및 이를 포함하는 이차전지를 제조하였다.
A negative electrode plate and a secondary battery including the negative electrode plate were prepared in the same manner as in Example 1, except that the slurry for the second coating layer of Production Example 3 was used in place of the slurry for the second coating layer of Production Example 1.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
1.2중량%의 카르복시 메틸셀룰로스 용액 35g을 교반하면서 도전재인 카본나노튜브 용액 12g(5중량%)을 분산시켰다. 이어서, 상기 혼합 용액에 고용량 음극 활물질인 SiOx와 안정적인 충방전 거동을 보이는 흑연을 약 1:2의 비율로 첨가하고, 기계식 교반기를 사용하여 활물질을 분산시켰다. 다음으로, 40중량%의 스티렌 부틸아크릴레이트 고무 용액 2g을 혼합하고, 최종 교반하여 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 제1 코팅층용 슬러리를 제조하였다. 이어서, 상기 슬러리를 콤마 코터를 사용하여 구리(Cu) 집전체 위에 약 100㎛의 두께로 도포하고 건조한 후 진공, 섭씨 110℃의 조건에서 다시 한번 건조하여 제1 코팅층이 형성된 음극판을 제조하였다.12 g (5% by weight) of carbon nanotube solution as a conductive material was dispersed while stirring 35 g of 1.2% by weight of carboxymethylcellulose solution. Next, SiO x , a high-capacity negative electrode active material, and graphite having a stable charge-discharge behavior were added to the mixed solution at a ratio of about 1: 2, and the active material was dispersed using a mechanical stirrer. Subsequently, 2 g of a 40 wt% styrene butyl acrylate rubber solution was mixed and finally stirred to prepare a slurry for a first coating layer in which an active material, a conductive material and a binder were mixed. Subsequently, the slurry was coated on a copper (Cu) current collector with a thickness of about 100 μm using a comma coater, dried, and dried again under vacuum and at a temperature of 110 ° C. to prepare a negative electrode plate having a first coating layer.
이어서, LiNi1 -x- yCox(Al)yO2 (여기서, x=0.15는 y=0.05) (NCA, 토다사) 45중량%, 카본블랙(Super-P, Timcal) 2.5중량%, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머(Solef6020, Solvey) 2.5중량% 및 N-메틸피롤리돈 50중량%를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조하고, 이를 알루미늄 집전체 상에 200㎛ 두께로 코팅한 다음 건조시켜 양극판을 제조하였다.Subsequently, 45 wt% of LiNi 1 -x- y Co x (Al) y O 2 (where x = 0.15 is y = 0.05) (NCA, Toda), 2.5 wt% of carbon black (Super- 2.5% by weight of vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer (Solef 6020, Solvey) and 50% by weight of N-methylpyrrolidone were mixed to prepare a cathode active material composition, which was coated on the aluminum current collector in a thickness of 200 탆 And then dried to prepare a positive electrode plate.
이어서, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트가 3:4:3의 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6를 첨가하여 리튬염의 농도가 1.2M인 유기 전해액 용액을 제조하였다.Subsequently, LiPF 6 was added to a solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate were mixed in a volume ratio of 3: 4: 3 to prepare an organic electrolyte solution having a lithium salt concentration of 1.2M.
이후, 상기 음극판 및 양극판 사이에 세퍼레이터인 폴리에틸렌을 배치하여 전극조립체를 형성한 다음, 이를 전지 케이스에 넣고, 상기 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
Thereafter, polyethylene as a separator was disposed between the negative electrode plate and the positive electrode plate to form an electrode assembly, which was then placed in a battery case, and the electrolyte solution was injected to prepare a lithium secondary battery.
IIIIII . 접착력 및 출력 실험. Adhesion and power experiment
(실험예 1)(Experimental Example 1)
상기 실시예 1에서 제작된 음극판을 10mm 간격으로 재단한 뒤, 180o 필 테스트(peel test)를 하여 제2 코팅층과 제1 코팅층이 도포된 전극의 접착력(adhesion force)을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다.
The anode plate prepared in Example 1 was cut at intervals of 10 mm and subjected to 180 o peel test to measure the adhesion force of the electrode coated with the second coating layer and the first coating layer, The results are shown in Table 1 and FIG.
(실험예 2)(Experimental Example 2)
실시예 1의 음극판 대신 실시예 2의 음극판을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 접착력을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다.
The adhesive force was measured in the same manner as in Experimental Example 1, except that the negative electrode plate of Example 2 was used in place of the negative electrode plate of Example 1, and the results are shown in Table 1 and FIG.
(실험예 3)(Experimental Example 3)
실시예 1의 음극판 대신 실시예 3의 음극판을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 접착력을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다.
The adhesive force was measured in the same manner as in Experimental Example 1, except that the negative electrode plate of Example 3 was used in place of the negative electrode plate of Example 1, and the results are shown in Table 1 and FIG.
(비교 실험예 1)(Comparative Experimental Example 1)
실시예 1의 음극판 대신 비교예 1의 음극판을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 접착력을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다.The adhesive force was measured in the same manner as in Experimental Example 1, except that the negative electrode plate of Comparative Example 1 was used instead of the negative electrode plate of Example 1, and the results are shown in Table 1 and FIG.
상기 표 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 제2 코팅층이 형성된 음극판의 경우에는 제2 코팅층과 제1 코팅층이 형성된 전극과의 접착력이 개선되어 모두 50 이상으로 상승하였고, 오랜 사이클 이후에도 주기 보유 (cycle retention) 값에 큰 차이가 없는 반면, 비교예 1의 제1 코팅층만 단독으로 형성된 음극판인 경우에는 접착력이 50 이하로 매우 낮을 뿐만 아니라, 오랜 사이클 이후에 주기 보유 값에 큰 차이가 있었다. 도 2에 나타낸 사이클에 다른 방전 용량을 비교해 보면, 상기 비교예 1의 경우에는 300 사이클 이후의 용량 유지율이 605 수준으로 매우 낮지만, 실시예 1 내지 3의 경우에는 300 사이클 이후에 용량 유지율이 80% 수준으로 수명이 개선됨을 알 수 있다. 한편, 본 발명의 제2 코팅층이 형성된 다층 음극판의 접착력은 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 제1 코팅층 위에 도포된 제2 코팅양 (도포 함량)에 대해 비례하는 것을 알 수 있었다.
As shown in Table 1 and FIG. 2, in the case of the negative electrode plate in which the second coating layer of Examples 1 to 3 was formed, the adhesion between the second coating layer and the electrode formed with the first coating layer was improved, There is no significant difference in the cycle retention value even after the cycle. On the other hand, in the case of the negative electrode plate in which only the first coating layer of Comparative Example 1 is formed singly, the adhesive force is very low as 50 or less, There was a difference. Comparing the other discharge capacities to the cycle shown in FIG. 2, in the case of Comparative Example 1, the capacity retention rate after 300 cycles is very low, that is, 605 levels. In the case of Examples 1 to 3, %, And the lifetime is improved. On the other hand, it was found that the adhesion of the multilayer negative electrode plate having the second coating layer of the present invention is proportional to the amount of second coating (coating amount) applied on the first coating layer as shown in Table 1 above.
(실험예 4)(Experimental Example 4)
HPPC (Hybrid pulse power characterization) 방법을 이용하여 상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1에서 제조된 이차전지의 출력 및 저항을 측정하였다.The output and resistance of the secondary batteries manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured using a hybrid pulse power characterization (HPPC) method.
0.1C (4mA)로 4.3V까지 SOC 10부터 완전 충전 (SOC=100)까지 충전시키되, 전지를 각각의 1 시간 동안 안정화시킨 다음, HPPC 실험 방법에 따라 리튬 이차전지의 출력 및 저항을 측정하였다. 또한, 전지를 SOC 100부터 10까지 SOC 10씩 방전시키고, 전지를 각각 1시간 동안 안정화 시킨 후, 각 SOC 단계마다 HPPC 실험 방법에 의해 리튬 이차전지의 출력 및 저항을 측정하였다. The battery was charged from
이어서, 초기 충방전 및 300회 충방전 후 용량 유지율 결과를 도 3a 및 도 3b에 나타내었고, 초기 충방전 및 300회 충방전 후 저항 특성 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. The results of capacity retention after initial charge-discharge and 300 charge-discharge cycles are shown in FIGS. 3A and 3B, and resistance characteristics after initial charge-discharge and 300 charge-discharge cycles are shown in FIGS. 4A and 4B.
즉, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 1의 경우에는 300 사이클 이후의 용량 유지율이 60% 수준으로 매우 낮지만, 실시예 1 내지 3의 경우에는 300 사이클 이후에 용량 유지율이 80% 수준으로 수명이 개선됨을 알 수 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 경우에는 300 사이클 이후에 저항 및 출력 값이 초기에 비해 SOC 전 영역에서 떨어지지만, 실시예 1의 경우에는 300 사이클 이후에도 비교예 1보다는 저항 증가나 출력 감소 폭이 개선됨을 알 수 있다.
That is, as shown in FIGS. 3A and 3B, in the case of Comparative Example 1, the capacity retention rate after 300 cycles was as low as 60%, but in the case of Examples 1 to 3, the capacity retention rate was 80 %, And the lifetime is improved. 4A and 4B, in the case of Comparative Example 1, the resistance and the output value after 300 cycles fell in the entire SOC region as compared with the initial value. In Example 1, however, after 300 cycles, It can be seen that the resistance increase and the output decrease width are improved.
이러한 결과는 제2 코팅층에 의해 반복되는 충방전시에도 제2 코팅층이 집전체와 제1 코팅층의 결합을 유지하여 음극활물질의 부피 변화를 완화시킬 수 있으므로, 금속 활물질과 집전체가 전기적으로 단절되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 리튬 이온의 가역적인 흡장/방출을 유지할 수 있어, 향상된 이차전지의 사이클 특성을 가져올 수 있을 것으로 판단된다.
These results show that the second coating layer maintains the bond between the current collector and the first coating layer even during repeated charging / discharging by the second coating layer, thereby alleviating the change in the volume of the negative electrode active material, and thus the metallic active material and the current collector are electrically disconnected Can be prevented. Therefore, reversible storage / release of lithium ions can be maintained, and it is considered that cycle characteristics of the improved secondary battery can be obtained.
11:음극활물질
13: 제1 바인더
15: 제2 바인더11: anode active material
13: first binder
15: Second binder
Claims (11)
상기 전극 집전체 상에 도포되며, 음극활물질, 제1 수계 바인더 및 도전재를 포함하는 제1 코팅층; 및
상기 제1 코팅층 상에 도포되며, 제2 비수계 바인더를 포함하는 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.Electrode collector;
A first coating layer coated on the electrode current collector, the first coating layer including a negative electrode active material, a first water-based binder, and a conductive material; And
And a second coating layer applied on the first coating layer and including a second non-aqueous binder.
상기 제1 수계 바인더는 스티렌-부틸아크릴레이트 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈 및 히드록시프로필셀룰로우즈로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 수계 바인더인 것을 특징으로 하는 음극.The method according to claim 1,
Wherein the first aqueous binder is one or more aqueous binders selected from the group consisting of styrene-butyl acrylate rubber, carboxymethylcellulose, and hydroxypropylcellulose.
상기 제1 코팅층은 인접한 음극활물질 입자의 점 접촉 부위에서 존재하여, 음극활물질 입자를 서로 결합시키는 것을 특징으로 하는 음극.The method according to claim 1,
Wherein the first coating layer is present at a point-contact portion of adjacent anode active material particles, and binds the anode active material particles to each other.
상기 제2 비수계 바인더는 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴로 함유 결합제, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 비수계 바인더인 것을 특징으로 하는 음극.The method according to claim 1,
Wherein the second non-aqueous binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, acrylonitrile containing binder, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl pyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride , Polyethylene, and polypropylene. The negative electrode according to claim 1, wherein the binder is one or more selected from the group consisting of polyethylene and polypropylene.
상기 제2 코팅층은 제1 코팅층이 형성된 전극 전면에 코팅되거나, 또는 인접한 음극활물질 입자의 점 접촉 부위에 형성된 제1 코팅층 상에 선택적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 음극.The method according to claim 1,
Wherein the second coating layer is coated on the entire surface of the electrode on which the first coating layer is formed or selectively coated on the first coating layer formed on the point contact portion of the adjacent anode active material particles.
상기 제2 코팅층은 상기 제1 코팅층이 형성된 전극의 전체 중량을 기준으로 100 중량% 이하의 양으로 코팅된 것을 특징으로 하는 음극.The method according to claim 1,
Wherein the second coating layer is coated in an amount of 100% by weight or less based on the total weight of the electrode on which the first coating layer is formed.
상기 제2 코팅층은 제1 코팅층이 형성된 전극의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%의 양으로 코팅된 것을 특징으로 하는 음극.The method of claim 6,
Wherein the second coating layer is coated in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the electrode having the first coating layer formed thereon.
상기 제2 코팅층은 제1 코팅층이 형성된 전극의 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%의 양으로 코팅된 것을 특징으로 하는 음극.The method of claim 7,
Wherein the second coating layer is coated in an amount of 1 to 10 wt% based on the total weight of the electrode having the first coating layer formed thereon.
상기 제2 코팅층은 제1 코팅층이 형성된 전극의 전체 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%의 양으로 코팅된 것을 특징으로 하는 음극.The method of claim 8,
Wherein the second coating layer is coated in an amount of 1 to 5 wt% based on the total weight of the electrode on which the first coating layer is formed.
상기 제 2 코팅층은 도전재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.The method according to claim 1,
Lt; RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI > wherein the second coating layer further comprises a conductive material.
A lithium secondary battery comprising the negative electrode, the positive electrode, the electrolytic solution and the separator according to claim 1.
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